1. 引言

 

独学而无友，则孤陋而寡闻。

 

本文以SURGE测试中通讯端口防护器件损坏为例，进行损坏机理分析、不同测试方法带来的影响分析、不同应用场景的测试方法选择，以及SURGE防护设计中的注意点等内容进行分析说明。

 

2. 背景介绍

 

某机车控制器的通讯端口进行±1KV等级的SURGE测试，出现通讯端口防护器件TVS管损坏情况。

 

3. 系统组网

 

组网：某机车控制器（EUT），通过CAN通讯线与AE设备连接，互连线长度10m；

 

测试端口：CAN端口，±1KV，阻抗42Ω；

 

端口防护说明：EUT侧CAN端口TVS管防护①；AE侧CAN端口TVS管防护②；EUT侧15V电源对地跨接电容C和TVS管③；AE侧对地无跨接防护④；

 

端口注入方法：断开与AE相连的CAN-H和CAN-L，但A-GND保持与AE设备相连。

 

接地说明：CAN参考地为A-GND，AE设备的通讯参考与电源的参考地为A-GND，AE由EUT的DC15V供电，DC15V的参考地为P-GND。测试组网如图1所示。

 

 

图1 组网图

 

实验现象：在多次SURGE测试中发现， EUT端口TVS管被打坏，但并不是每次试验都能复现，试验次数越多，越容易复现。

 

4. TVS管损坏的机理分析

 

4.1 SURGE干扰的路径分析

 

CAN电路的参考地为A-GND，AE设备的电源参考地为A-GND ，EUT的15V电源地为P-GND，因EUT的DC15V给AE进行供电，使得A-GND与P-GND进行了互连，且P-GND对PE有跨接TVS管和电容，使得SURGE噪声沿着低阻抗路径流到大地。

 

SURGE噪声干扰路径：SURGE发生器→CDN的Zin→通讯TVS1管→通讯线地线Zline→电源地线Zline→对PE跨接电容C1和TVS3管→PE，如下图2所示。

 

 

图2 SURGE噪声回路示意图

 

4.2 SURGE噪声频谱分析

 

4.2.1 SURGE的波形

 

根据IEC 61000-4-5 2019标准中SURGE的典型开路电压波形参数为1.2/50us。参见图3所示：

 

 

图3 SURGE发生器开路电压波形

 

4.2.2 SURGE的频谱特性分析

 

IEC 61000-4-5中描述SURGE的BW带宽是指频域波形的下降沿斜率开始达到-60dB/十倍频程时的频率带宽。SURGE电压波形波前时间短，包含的频带较宽，SURGE的BW达到了2MHz，但主要能量集中在频率较低的频段，幅值频谱分析表明SURGE呈现低频特征（50KHz→-40dB），参见图4所示。

 

 

图4 Voltage surge (1,2/50 µs): spectral response with ∆f = 3,333 kHz

 

4.3 TVS 管损坏分析

 

4.3.1 TVS管损坏模式

 

TVS管损坏模式有两种：

 

（1）单次能量超过额定功率

 

TVS的标称功率是极短时间内对 TVS 施加的单次脉冲能量，施加的噪声波形能量大于额定功率时，会导致TVS管过流烧毁，呈现短路失效模式。

 

（2）积累的能量超过上限值

 

实际测试中施加的噪声波形通常是重复地出现，使得短时间积累的能量超过上限值，TVS管就会损坏，呈现短路失效模式。

 

4.3.2 TVS管中的SURGE电流分析

 

（1）TVS管参数对比

 

TVS1和TVS2管型号均为PESD1CAN，其Ipp为3A，20uf脉冲功率为200W，50us脉宽功率约为130W；TVS3管的型号为SD05C，其Ipp为24A，20uf脉冲功率为350W，50us的脉冲脉宽功率约为210W。TVS3的功率和通流能力优于TVS1。TVS参数表参见表1。

 

表1 TVS规格参数表

 

 

（2）噪声回路参数

 

根据图3的路径分析及表1参数表，可计算出回路阻抗参数参见下表2。

 

表2 回路阻抗参数

 

符号	参数	线路阻抗 （在TVS1管最大3A下进行计算）	含义
Zin	42Ω	2Ω差模+40Ω共模	信号线注入阻抗
Zline	3.1Ω	Zline=10m*1uH/m*2π*50KHz=3.1Ω	线路阻抗1uH/m
Zc1	32Ω	Zc1=1/(2π*50KHz*0.1uf=31.8Ω	对地跨接电容C1，噪声频率50KHz
ZTVS1	23.3Ω	ZTVS1=70V/3A=23.3Ω，型号PESD1CAN(NXP)	CAN电路保护TVS管
ZTVS3	2.7Ω	ZTVS3=8V/3A=2.7Ω，型号SD05C	对地跨接TVS

 

（3） 回路SURGE电流计算：

 

在TVS1管最大3A阻抗条件下计算分析：

 

Isurge=Vsurge/(Zin +ZTVS1// ZTVS1+2*Zline+Zc1//ZTVS3)=16A

 

在TVS1管短路失效条件下计算：

 

Isurge= Vsurge/(Zin +2*Zline+Zc1//ZTVS3)=19.7A

 

SURGE噪声在回路中的电流范围在16A~19.7A之间，流过CAN-H和CAN-L的TVS管电流各为8A-9.85A左右，超过了TVS1的最大Ipp（3A），但小于TVS3的Ipp(24A)。从计算分析可知，TVS1承受超额SURGE电流，有较大的损坏风险。

 

4.4 实验验证

 

4.4.1 TVS管阻抗测定

 

用万用表对TVS1和 TVS 3管进行实验前后的阻抗测定，参见表3。

 

在多次实验后，TVS1管的阻抗越来越小，最终失效短路。

 

表3 TVS管阻抗测定

 

TVS1		TVS3
试验次数	阻抗值	试验次数	阻抗值
实验前	开路	实验前	开路
一次SURGE实验	65Ω	一次SURGE实验	开路
二次SURGE实验	16Ω	二次SURGE实验	开路
三次SURGE实验	0.1Ω	三次SURGE实验	开路

 

4.4.2 SURGE实验波形抓取

 

SURGE实测噪声回路电流峰值19.2A，脉宽55.3us，CAN-H和CAN-L的TVS1管个分流9.6A，与理论计算相匹配，验证分析的准确性。实测波形参见图5。

 

 

图5 回路噪声电流

 

4.5 TVS管损坏的机理分析小结

 

（1）15V参考地P-GND与CAN的参考地A-GND连接到一起，使得SURGE噪声可以通过P-GND的对地跨接流到大地；

 

（2）SURGE的噪声带宽可达到2MHz，但一般能量集中在低频段50KHz左右；

 

（3）TVS管损损坏模式有两种，超额定或多次能量叠加导致的短路损坏，本文为典型超额定而导致的RVS管损坏。

 

（4）噪声回路的SURGE电流理论计算与实测相对应，结合理论计算可帮助产品在前期理论模型阶段的防护器件设计选型。

 

5. 从产品端解决方案分析

 

综合以上分析，从产品端解决CAN通讯口TVS管损坏问题，就是要改变噪声回路阻抗分布。方法有三种，参见表4。

 

表4 整改设计方法分析表

 

整改设计方法	可落地措施	备注
◆提高TVS管的耐流能力	将TVS1管替换成TVS3	结电容变大17pf→350pf，会影响通讯信号质量
◆提高P-GND与PE的阻抗	◆去掉对地跨接TVS管 ◆将TVS管变为1MΩ电阻	地电位差防护变差
◆噪声回路的线路去耦	线路地线去耦	改变通讯地阻抗，有共地阻抗风险

 

6. 从测试端解决方案分析

 

SURGE测试不同实验方法如下表5所示。

 

表5不同的测试方法

 

 

业界对CAN、485、232等通讯电路是否为平衡线对有不同的看法，导致使用不同的CDN，产生不同的测试结果。

 

（1） 对称线的定义：

 

差模到共模转换损耗大于20DB的平衡对线，一般由芯片厂家确定。

 

（2） CND非对称注入：

 

A-GND进行了去耦，老板标准中为20mH，50KHz阻抗为6.28KΩ，回路SURGE电流为约0.3A，TVS管正常工作。

 

（3） CND对称注入

 

标准中没有对A-GND是否连接进行说明，然而一般A-GND实验时时默认连接的，只对对称线线进行注入实验。

 

◆A-GND不接：SURGE回路噪声电流为0.15A左右。

 

◆A-GND接：与初始测试结果一直，无改善。

 

（4） 组网CAN端口直接注入

 

通过组网连接，使得AE设备对SURGE噪声电流分流，但每个TVS管子电流约为4.8A，超过最大Ipp，存在损坏风险。

 

综上对测试方法的说明，解决方案有二：

 

◆不接A-GND，进行CDN注入；

 

◆按照非对称进行注入；

 

7. 不同测试方法的应用分析

 

各企业在SURGE的非屏蔽通讯端口测试中，以IEC61000-4-5为基础，进行了各自的适应性测试方法改善。主要有三种方式，参见表6所示。

 

表6 SURGE 非屏蔽通讯端口测试方法

 

 

EMC测试要结合产品的实际应用场景，来定制适合的测试方法，才能真正的在设计端规避产品的使用风险，三种测试方法的应用场景如下：

 

① 利用CDN的共模阻抗，进行非组网的通讯端口注入测试

 

主要应用在低要求场合，只要防护器件不损坏就可以，如二次供水。

 

② 利用CDN的共模阻抗，进行组网的通讯端口注入测试

 

主要应用在高要求，考量系统对SURGE的抗扰性，而非单体产品本身，要求通讯不能出错，如生产线。

 

③ 按照标准推荐，将CDN串入通讯线中进行测试

 

将EUT与AE进行隔离，主要为认证测试的应用。

 

8. 思考与启示

 

（1） TVS管损坏原因为噪声回路阻抗过低，使得SURGE电流过大，TVS管超限值而损坏，可以选用功率大而结电容相对较小的TVS管；

 

（2） 增大对PE的阻抗，可以去掉跨接TVS管，或减小跨接电容，或串跨接电阻等方法，提升阻抗值，使得SURGE电压大部分加在跨接阻抗上；

 

（3） 产品设计要进行噪声路径分析和SURGE电流估算，指导阻抗分配与器件的选型。

 

需要结合产品的实际应用场景，来选择测试方法，不要完全照搬标准要求，而缺乏系统化分析。